(57)【要約】【課題】線膨張係数の異なる複数の部材を接合してなる接合体の全体としての剛性を高めると共に、小型・薄型であっても熱応力に対する剥離が生じにくくした接合体の提供と、流体機器の提供とを図る。【解決手段】圧電ポンプ１０１は、圧電振動子６５の屈曲振動を利用してポンプ室５２内の流体に圧力をかけて流体を吐出する。圧電ポンプ１０１は高剛性板６０Ｃと接合層６０Ａとポンプ室本体７０とを備える。高剛性板６０Ｃはステンレススチールである。接合層６０Ａとポンプ本体７０はPETからなる。接合層６０Ａは高剛性板６０Ｃの主面に形成されている。接合層６０Ａとポンプ室本体７０とは線膨張係数が高剛性板６０Cよりも大きい。ポンプ室本体７０は高剛性板６０Ｃよりも低剛性で、その外側端の少なくとも一部が接合層６０Ａの端よりも内側に当たる位置で接合層６０Ａに接合している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の接合部材と、前記第1の接合部材よりも高剛性である第２の接合部材と、を接合した接合体であって、
前記第２の接合部材は、前記第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する接合層が主面に形成され、
前記第１の接合部材は、前記第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有し、外側端の少なくとも一部が前記接合層の端よりも内側に当たる位置で前記接合層に接合する、接合体。
【請求項２】
第１の接合部材と、前記第１の接合部材よりも高剛性である第２の接合部材と、を接合した接合体であって、
前記第２の接合部材は、前記第２の接合部材の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する接合層が主面に形成され、
前記第１の接合部材は、前記第２の接合部材よりも低剛性であり、前記第２の接合部材の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、外側端の少なくとも一部が前記接合層の端よりも内側に当たる位置で前記接合層に接合する、接合体。
【請求項３】
前記第１の接合部材は外側端が段形状であり、前記第１の接合部材の前記接合層に接合する主面とは逆側の主面における外側端が、前記第１の接合部材の前記接合層に接合する主面における外側端よりも内側に位置する、請求項１または２に記載の接合体。
【請求項４】
前記接合層と前記第１の接合部材とは同等の線膨張係数を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合体。
【請求項５】
流体機器本体と、前記流体機器本体よりも高剛性である剛性板と、を接合して流体機器室を構成し、前記流体機器室内の流体に圧力をかけて前記流体を吐出する流体機器であって、
前記剛性板は、前記剛性板の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する接合層が主面に形成され、
前記流体機器本体は、前記剛性板よりも低剛性であり、前記剛性板の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有し、外側端の少なくとも一部が前記接合層の端よりも内側に当たる位置で前記接合層に接合する、流体機器。
【請求項６】
前記流体機器本体は外側端が段形状であり、前記流体機器本体の前記接合層に接合する主面とは逆側の主面における外側端が、前記流体機器本体の前記接合層に接合する主面における外側端よりも内側に位置する、請求項５に記載の流体機器。
【請求項７】
前記接合層と前記流体機器本体とは同等の線膨張係数を有する、請求項５または６に記載の流体機器。
【請求項８】
前記流体機器は圧電ポンプである、請求項５〜７のいずれかに記載の流体機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、線膨張係数の相違する複数の部材を接合してなる接合体、および、例えば線膨張係数の相違する複数の部材を接合してポンプ室を構成した圧電ポンプ等の流体機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ポンプは、圧電振動子を利用してダイヤフラムを振動させてポンプ室内の流体を吐出する。一般に圧電ポンプは小型・薄型に構成できるとともに低消費電力であることから、燃料電池の燃料輸送用ポンプなどとして利用可能である（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００８／００７６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の圧電ポンプは、圧電素子を除くポンプ室の構成部材が樹脂などで構成されることがあった。その場合、樹脂は剛性が低いためダイヤフラムの振動に伴う流体圧の変化によって、ポンプ室が微小に変形し、流体の圧力損失が増大して圧電ポンプの吐出性能が損なわれていた。
【０００５】
そこで、ポンプ室を肉厚な部材で構成してポンプ室の剛性を高めることが考えられるが、その場合、小型・薄型であるという圧電ポンプの特性が損なわれる。また、ポンプ室全体を高剛性材料で構成することも考えられるが、樹脂は成形が容易であり、複雑な形状成形を要するポンプ室全体を樹脂以外の材料で構成することはコスト面などから難しい。
【０００６】
そこで、ポンプ室を樹脂部材と樹脂よりも高剛性である高剛性材料との貼り合わせで構成することにより、ポンプ室を高剛性にすることが考えられる。しかしながら、材質の異なる樹脂部材と高剛性材料とを貼り合わせると、線膨張係数の相違によって異素材貼り合わせ面が剥がれやすくなる問題が生じる。具体的には、異素材貼り合わせ面に、例えば熱応力がかかると剥離が生じてしまう。このような剥離の問題は、線膨張係数が異なる２種類の部材を接合した構成の接合体や流体機器であっても同様に生じる。
【０００７】
そこで本発明は、線膨張係数の異なる複数の部材を接合してなる接合体の全体としての剛性を高めると共に、小型・薄型であっても熱応力に対する剥離が生じにくくした接合体の提供と、流体機器の提供とを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第1の接合部材と第２の接合部材とを接合した接合体である。第２の接合部材は、第１の接合部材よりも高剛性である。また、第２の接合部材は接合層が主面に形成されている。接合層は第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する。第１の接合部材は、第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有し、外側端の少なくとも一部が接合層の端よりも内側に当たる位置で接合層に接合する。
特には、接合層の線膨張係数および第１の接合部材の線膨張係数が第２の接合部材の線膨張係数よりも大きいことが好ましい。
また本発明は、流体機器本体と剛性板とを接合して流体機器を構成し、流体機器内の流体に圧力をかけて流体を吐出する流体機器である。流体機器は接合体に相当し、流体機器本体は第１の接合部材に相当し、剛性板は第２の接合部材に相当する。
【０００９】
この構造では、第1の接合部材と第２の接合部材とを貼り合わせることにより、接合体を肉厚にすること無く接合体の剛性を高められる。また、圧電ポンプ等の流体機器であれば、流体の吐出性能を改善できる。
【００１０】
また、第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する第１の接合部材は、同様に第２の接合部材の線膨張係数と異なり、且つ、熱が加わった際の伸縮方向が第１の接合部材と同方向になる線膨張係数を有する接合層に接合するので、両者の界面に作用する熱応力は、第1の接合部材と第２の接合部材とを直接接続する場合にその貼り合わせ面に作用する熱応力よりも抑制される。一方、接合層と第２の接合部材との貼り合わせ面のうち第１の接合部材の接合箇所に対面する領域には、第１の接合部材を第２の接合部材に直接接続する場合と略同等の熱応力が作用する。しかしながら、第１の接合部材の外側端を接合層の端よりも内側に当たる位置で接合層に接合しているので、第１の接合部材を第２の接合部材に直接接続する場合よりも異素材貼り合わせ面の剥離は生じにくい。
【００１１】
図１は、その作用を説明する図である。図１（Ａ）に示す比較構成例は、接合層３Ａと第２の接合部材２Ａとの異素材貼り合わせ面の端が第１の接合部材１Ａの外側端と重なる位置にある構成である。この場合、異素材貼り合わせ面の端に、第１の接合部材１Ａに対面する領域に作用する力が集中し、そこから異素材貼り合わせ面に沿って剥離が進む危険性が高い。一方、図１（Ｂ）に示す本構成例では、接合層３Ｂと第２の接合部材２Ｂとの異素材貼り合わせ面の端が第１の接合部材１Ｂの外側端から離れた構成である。この場合、異素材貼り合わせ面における端は、第１の接合部材１Ｂに対面する領域よりも外側に離れる。すると、第１の接合部材１Ｂに対面する領域に作用する力はその領域の全面に分散し、したがって異素材貼り合わせ面の剥離が進行しにくい。
【００１２】
本発明の第１の接合部材は外側端が段形状であると好適であり、第１の接合部材の接合層に接合する主面とは逆側の主面における外側端が、第１の接合部材の接合層に接合する主面における外側端よりも内側に位置するとよい。これは、例えば、ポンプ室本体の外側端が段差形状となった構造である。これにより、ポンプ室本体の最外側端が実質的に肉薄になるため、熱応力が抑制され、異素材貼り合わせ面の剥離をより抑制できる。
【００１３】
本発明の接合層と第１の接合部材とは同等の線膨張係数を有すると好適である。これにより、熱応力を大幅に抑制でき、異素材貼り合わせ面の剥離をより抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、第１の接合部材と第２の接合部材とを貼り合わせることにより、第１の接合部材を肉厚にすること無く接合体の剛性を高められ、圧電ポンプ等の流体機器であれば、小型・薄型のまま圧電ポンプの吐出性能を改善できる。また、第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する第１の接合部材は、同様に第２の接合部材の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する接合層を介して第２の接合部材に接合し、第１の接合部材の外側端の少なくとも一部を接合層の端よりも内側に当たる位置で接合層に接合しているので、各部の貼り合わせ面で熱応力による剥離が進行しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の作用例を説明する図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧電ポンプの平面図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電ポンプの分解斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電ポンプの断面図である。
【図５】熱応力試験によるシミュレーション結果を説明する図である。
【図６】第２の実施形態に係る圧電ポンプの概略構成を説明する図である。
【図７】第３の実施形態に係る圧電ポンプの概略構成を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本願発明の接合体および流体機器の一実施形態として、圧電ポンプを例に本願発明を説明する。本発明の第１の接合部および流体機器本体は後述するポンプ室に相当し、第２の接合部材および剛性板は後述するポンプ室天板に相当する。
【００１７】
《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の平面図であり、図３は圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。
【００１８】
圧電ポンプ１０１は、矩形の圧電振動子６５と、圧電振動子６５を搭載するポンプ室本体７０と、ポンプ室本体７０を搭載するポンプ室天板６０とを備える。ポンプ室本体７０は円状のポンプ室５２と、ポンプ室５２へ流体を供給する流入口５１と、ポンプ室から流体を排出する排出口５３とを備える。圧電振動子６５の２つの電極はコネクタ６８に電気的に接続されていて、圧電振動子６５は交流電圧の印加によって振動する。
【００１９】
図３に示すようにポンプ室本体７０は、それぞれがPETシートである流路板６２、ポンプ室板６３、ダイヤフラム６４、弁室板６６、および底板６７を積層して構成している。ポンプ室天板６０の上部には流路板６２を配置している。流路板６２にはポンプ室５２の中央位置から流入口５１または排出口５３まで流路用溝５９を形成している。流路板６２の上部にはポンプ室板６３を配置している。ポンプ室板６３にはほぼ円形のくり抜きによるポンプ室５２を形成している。ポンプ室板６３の上部にはダイヤフラム６４を配置している。ダイヤフラム６４の上部にはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電振動子６５を貼着している。ダイヤフラム６４の上部には弁室板６６を配置している。弁室板６６には２つの弁室開口Ｈを形成し、２つの弁室開口Ｈの内部に逆止弁５４，５５をそれぞれ配置している。逆止弁５４は流入口５１からポンプ室外部へ流体が逆流するのを阻止し、逆止弁５５は排出口５３からポンプ室内部へ流体が逆流するのを阻止する。弁室板６６の上部には底板６７を配置している。ポンプ室５２の内部には、ポンプ室５２との間隙に液体を毛管現象で保持する液体保持用部材５６を非固定状態に配置している。液体保持用部材５６はポンプ室５２よりも小さい円形であり、ＰＥＴシートの中央に開口５７を加工してなる。
【００２０】
なお、圧電ポンプ１０１の各部及び全体の寸法は次のようにしている。
ポンプ室５２：直径１４．５ｍｍ×厚さ０．０７５ｍｍ
圧電振動子６５：１７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ
液体保持用部材５６：直径１４．０ｍｍ×厚さ０．０６ｍｍ
ダイヤフラム６４：１９．４ｍｍ×２８．８ｍｍ×厚さ０．０７５ｍｍ
圧電ポンプ１０１全体：２４ｍｍ×３３ｍｍ×厚さ１．３２５ｍｍ
この圧電ポンプ１０１を実際に使用する際には、ポンプ室天板６０が上面側に、底板６７が下面側になるように用いる。そのため、図３においては最下層と最上層とに位置する部品の名称を「ポンプ室天板」および「底板」としている。この圧電ポンプ１０１を使用するには、交流電圧を印加して圧電振動子６５を屈曲振動させてダイヤフラム６４をたわませ、これによりポンプ室５２の容積拡張／収縮を繰り返させる。すると、ポンプ室５２の拡張時に流入口５１から流体が流入し、ポンプ室５２の収縮時にはポンプ室５２内の流体が排出口５３から排出される。
【００２１】
図４は、圧電ポンプ１０１の断面図である。図４（Ａ）は流路用溝５９を通る垂直面での断面図、図４（Ｂ）はポンプ室５２の中心を通り、且つ流路用溝５９の延びる方向に対してほぼ直交する垂直面での断面図である。
【００２２】
ポンプ室天板６０は、剛性の高いステンレススチールを加工した高剛性板６０Ｃと、PETシートを加工した接合層６０Ａと、高剛性板６０Ｃと接合層６０Ａとの間の接着剤層６０Ｂとを備える。接着剤層６０Ｂの厚みは２０〜８０μm、高剛性板６０Ｃの厚みは２００〜８００μm、接合層６０Ａの厚みは３０〜１００μmとする。
【００２３】
このポンプ室天板６０は高剛性板６０Ｃ上に接着剤をスクリーン印刷などで塗布して接着剤層６０Ｂを形成した後、接合層６０Ａを貼り合わせ、接着剤を熱硬化またはＵＶ硬化させて構成する。なお他に、接合層６０Ａに予め接着剤層６０Ｂを塗工して仮硬化状態にしておき、その後、高剛性板６０Ｃをラミネート法により貼り合わせポンプ室天板６０を構成してもよい。
【００２４】
ここでポンプ室本体７０は、ポンプ室天板６０の接合層６０Ａの端より内側約1mm程度オフセットした位置に接合して、ポンプ室天板６０を約1mm程度、ポンプ室本体７０の主面側方から外側に突出させている。この構成は、予め形成しておいたポンプ室本体７０に対して、このポンプ室天板６０の接合層６０Ａを接合させて実現しても良く、ポンプ室天板６０の接合層６０Ａ上にポンプ室本体７０を構成する部材を順に接合させて実現してもよい。ここでのポンプ室本体７０とポンプ室天板６０とは種々の接合方法で接合されるが、特にレーザ溶着等の急峻な熱履歴が加わる接合方法にて接合される場合、本発明はより有効である。
【００２５】
以上のようにポンプ室天板６０に高剛性板６０Ｃを設けるため、ポンプ室本体７０を肉厚にすること無くポンプ室全体の剛性を高められ、圧電ポンプ１０１の吐出性能を改善できる。
【００２６】
また、ポンプ室本体７０を、同じPETシートで構成されたポンプ室天板６０の接合層６０Ａに接合するので、両者の線膨張係数が等しく、両者の溶着した界面に作用する熱応力は、ポンプ室本体７０を高剛性板６０Ｃに直接接合する場合よりも大幅に抑制される。
【００２７】
なお、接合層６０ＡはPETシート以外の素材でも良いが、熱が加わった際の伸縮方向がポンプ室７０と同方向である線膨張係数を有するものであればよい。特に、高剛性板６０Ｃのステンレススチールよりも線膨張係数が大きく、ステンレススチールよりもPETシートの線膨張係数に近ければ好適である。
【００２８】
一方、高剛性板６０Ｃと接合層６０Ａとは線膨張係数が相違するため、接着剤層６０Ｂにおけるポンプ室本体７０に対面する領域には、ポンプ室本体７０を高剛性板６０Ｃに直接接続する場合と略同等の熱応力が作用することになる。しかしながら、ポンプ室本体７０を接合層６０Ａの端より内側にオフセット配置しているので、ポンプ室本体７０を高剛性板６０Ｃに直接接続する場合よりも接着剤層６０Ｂの剥離は生じにくくなる。したがって、この圧電ポンプ１０１はポンプ室天板６０を異素材により構成しても、両者の貼り合わせ面に作用する熱応力に対する応力耐性が高いものになる。
【００２９】
次に、圧電ポンプを用いて熱応力試験を行ったＦＥＭ解析によるシミュレーションの結果を説明する。
【００３０】
圧電ポンプは以下の仕様とした。
・ポンプ室本体の各層厚：７５μｍ
・ポンプ室天板の接合層：５０μｍ
・ポンプ室天板の高剛性板：５００μｍ
また熱応力試験は以下の仕様とした。
・熱履歴：＋２６０℃→＋２０℃または＋２６０℃→−４０℃
そして、圧電ポンプにおけるポンプ室天板とポンプ室本体とのオフセット量の条件を変えて熱応力試験を行い、各試験終了後にポンプ室天板に発生した応力の最大値を比較した。
【００３１】
図５は、オフセット量と応力との関係を説明する図である。
【００３２】
＋２６０℃→＋２０℃の熱履歴で行った熱応力試験では、オフセット量０mmすなわち図１の比較構成の場合に応力３０ＭＰａで最大であった、オフセット量を大きくした場合ほど応力は低下し、オフセット量を１．０mmとした場合に応力は比較構成よりも約９５％低減した。
【００３３】
＋２６０℃→−４０℃の熱履歴で行った熱応力試験においても、同様な傾向が見られ、オフセット量０mmすなわち図１の比較構成の場合に応力３７ＭＰａで最大であり、オフセット量を大きくした場合ほど応力は低下し、オフセット量を１．０mmとした場合に応力は比較構成よりも約９５％低減した。
【００３４】
このように、異種材質の貼り合わせを行っていてもオフセットを取ることにより熱応力を抑制でき、したがって本発明により異素材貼り合わせ面での剥離を抑制でき、圧電ポンプの熱応力耐性が高まることがシミュレーションにおいて確認された。
【００３５】
《第２の実施形態》
図６は、第２の実施形態に係る圧電ポンプ１０２の断面図である。圧電ポンプ１０２は圧電ポンプ１０１と異なり、ポンプ室本体７０の外側端を段形状にしている。具体的には、弁室板６６と底板６７との外形状を圧電ポンプ１０１よりも小さくしていて、弁室板６６と底板６７との外側端を、流路板６２とポンプ室板６３とダイヤフラム６４との外側端よりも内側に配置している。
【００３６】
このようにポンプ室本体７０を段形状にすることで、ポンプ室本体７０とポンプ室天板６０との接合位置において、熱応力に寄与するポンプ室本体７０の最外端の厚みを、段差形状を有しない第１の実施形態の圧電ポンプ１０１に比べて実質的に肉薄にできる。したがって、ポンプ室天板６０の接着剤層６０Ｂに作用する熱応力を抑制でき、接着剤層６０Ｂの剥離をより抑制できる。
【００３７】
なお、ここではダイヤフラム６４と弁室板６６との間を境として２段形状としたが、より多段に構成するようにしてもよく、流路板６２とポンプ室板６３との間を境として段形状としたり、ポンプ室板６３とダイヤフラム６４との間を境として段形状としたりすると、より熱応力を抑制でき好適である。
【００３８】
《第３の実施形態》
図７は、第３の実施形態に係る圧電ポンプ１０３の概略の上面図である。圧電ポンプ１０３は、主面長手方向におけるポンプ室天板６０の寸法とポンプ室本体７０の寸法とが等しく、主面短手方向におけるポンプ室天板６０の寸法とポンプ室本体７０の寸法とも等しい。そして、ポンプ室天板６０の主面コーナーに当たるポンプ室本体７０の四隅が面取りされた形状であって、この四隅で接合層６０Ａの端よりも内側にポンプ室本体７０が接合している。
【００３９】
このような構成であっても、少なくともポンプ室天板６０の主面コーナー部分では、高剛性板６０Ｃと接合層６０Ａとの異素材貼り合わせ面が剥離しにくくなるので、圧電ポンプ１０３の熱応力耐性が高まる。
【符号の説明】
【００４０】
１０１，１０２，１０３…圧電ポンプ
１Ａ，１Ｂ…第１の接合部材
２Ａ，２Ｂ…第２の接合部材
３Ａ，３Ｂ，６０Ａ…接合層
５１…流入口
５２…ポンプ室
５３…排出口
５４，５５…逆止弁
５６…液体保持用部材
５７…開口
５９…流路用溝
６０…ポンプ室天板
６０Ｂ…接着剤層
６０Ｃ…高剛性板
６２…流路板
６３…ポンプ室板
６４…ダイヤフラム
６５…圧電振動子
６６…弁室板
６７…底板
６８…コネクタ
７０…ポンプ室本体
Ｈ…弁室開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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